Python 编程B09：异常处理与调试

第七章异常处理与调试

在程序设计中，错误是无法完全避免的。用户可能输入了非法数据，文件可能丢失，网络可能断开，或者程序逻辑存在缺陷。如果程序没有妥善应对这些情况，系统就会在运行时中止执行并抛出错误信息。

为了让程序能够“遇错不崩”，Python 提供了完善的异常处理机制，使程序在错误发生后仍能有条不紊地继续执行或安全退出。

同时，利用调试技术，可以快速定位并修复问题，从而提升程序的稳定性与可靠性。

学习目标：

（1）理解异常（Exception）的概念，能区分语法错误与运行时错误。

（2）掌握 try 语句的完整结构及 raise 语句的用法。

（3）了解常见异常类型，并能针对不同错误进行分类处理。

（4）掌握 finally 的资源回收机制与自定义异常类的创建方法。

（5）学会使用调试工具与错误堆栈信息，快速定位和修复程序错误。

7.1 异常的概念与常见错误

在 Python 程序执行过程中，错误可分为两大类：语法错误与运行时异常。

• 语法错误（Syntax Error）：代码结构本身不符合语法规则，解释器无法执行。

• 异常（Exception）：语法正确，但在运行过程中出现了不可预料的问题，例如除数为 0 或访问了不存在的文件。

当 Python 检测到异常时，会立即停止当前代码块的执行，并向外层传递异常信息，这一过程称为“异常传播”（Exception Propagation）。如果没有任何代码捕获它，程序最终会崩溃并打印错误堆栈。

下表列出了程序运行中最常见的一些异常类型及其含义。

异常类型

含义说明

ZeroDivisionError

除数为零

ValueError

无法转换或非法的数值输入

TypeError

操作或函数应用到错误的类型上

IndexError

序列索引超出范围

KeyError

访问字典中不存在的键

FileNotFoundError

文件不存在

NameError

使用了未定义的变量

AttributeError

对象不存在该属性

OSError

操作系统相关错误（如文件读写失败）

例 7.1.1：常见错误示例

f = open("nofile.txt")  # FileNotFoundError

运行结果（部分）：

FileNotFoundError: [Errno 2] No such file or directory: 'nofile.txt'

程序遇到第一个未处理的异常就会立即终止。若想让程序在错误出现后继续执行，就必须通过异常捕获机制来“接住”这些错误。

7.2 try 语句语法

try 是 Python 中最核心的异常处理语句，用于检测、捕获并处理运行时错误。它由一个主块（try）和若干子句（except、else、finally）组成。

完整语法结构：

    无论是否出错都执行的语句块

语法说明：

• except 子句：捕获并处理指定类型的异常。

• except (异常类型1, 异常类型2) as e：在同一个 except 子句中可同时捕获多种异常类型。括号内为异常类的元组，匹配其中任意一种异常即会进入该分支。变量 e 用于接收异常对象，可通过 print(e) 查看具体错误信息。

• else 子句：仅在 try 块未发生异常时执行。

• finally 子句：始终执行，用于清理或释放资源。

使用说明：

• try 至少要搭配一个 except 或 finally。

• else 与 finally 都是可选的，但若同时存在，顺序必须为 except → else → finally。

• except 可设置多个分支，也可使用元组一次捕获多种异常。

• 异常匹配自上而下进行，遇到第一个匹配分支即停止。

• 避免使用裸 except:，推荐写为 except Exception: 或更具体的异常类型，以防误拦系统级异常。

• finally 子句总会执行，即使 try 块中出现 return、break、continue 或再次抛出异常。

7.3 try / except 捕获异常

try / except 是异常处理的基础结构，用于捕获并处理运行时错误。这是一种典型的“防御式编程”策略：提前预见可能出错的环节，并在异常发生时给出合适的处理措施。

基本语法结构：

    处理异常的语句块

执行过程说明：

• 当 try 块中的语句执行出错，Python 会立即跳转到对应的 except 块。

• 如果未发生异常，except 块将被跳过。

• 可设置多个 except 分支，以针对不同的异常类型做出不同反应。

例 7.3.1：除零错误处理

    print("错误：除数不能为 0。")

运行结果（示例）：

错误：除数不能为 0。

例 7.3.2：多种异常类型捕获

    print("其他错误：", e)

Exception 是所有异常的基类，可以捕获任意未被前面语句捕获的错误，常用于防止程序意外崩溃。

7.4 finally 与资源回收

在很多程序中，可能需要访问外部资源（如文件、网络、数据库等）。这些资源在使用完毕后，必须确保被及时关闭或释放，否则可能导致数据丢失或资源占用。

无论是否发生异常，finally 子句中的代码总会执行。常用于写入日志、关闭文件、断开连接等操作。

例 7.4.1：除法运算的资源清理

    print("程序结束。")

运行结果（示例）：

程序结束。

例 7.4.2：文件读取与关闭

        print("文件已关闭。")

运行结果（示例）：

文件已关闭。

通过 finally 子句确保文件始终能被关闭，即便读取失败，也不会造成资源泄露。

7.5 raise 与自定义异常

在实际开发中，我们有时需要使用 raise 语句在运行时显式触发异常对象，用来检测非法输入或违反业务逻辑的情况。这可以让程序更清晰地表达错误原因，也方便上层代码处理。

语法结构：

raise [异常类型 [(错误信息)]]

语法说明：

• 异常类型通常是一个内置异常类（如 ValueError、TypeError），也可以是自定义异常类。

• 错误信息为可选项，用于说明异常原因。

• 若省略异常类型，则会重新抛出当前捕获的异常（用于嵌套异常处理）。

例 7.5.1：成绩验证

    print("成绩合法：", score)

运行结果（示例）：

ValueError: 成绩必须在 0 到 100 之间！

如果系统内置的异常类型无法准确表达程序逻辑错误，我们还可以通过继承 Exception 类来自定义异常类型。

例 7.5.2：自定义异常类

    print("错误：", e)

运行结果（示例）：

错误： 不能对负数求平方根！

自定义异常可以让代码在复杂项目中更具可读性，也更易于维护。

7.6 调试方法

异常可以帮助我们发现问题，而调试是解决问题的过程。调试（Debug）指的是找出程序错误根源并修复它的过程，是程序员的重要技能。

常见调试方式有：

• 调试法：输出关键变量值，查看逻辑执行情况。

• 模块：查看详细的错误堆栈信息。

• 断点调试：可逐行执行代码、观察变量变化与函数调用顺序。

例 7.6.1：traceback 获取错误信息

    traceback.print_exc()

运行结果（示例）：

ZeroDivisionError: division by zero

traceback.print_exc() 能输出完整错误堆栈，帮助我们快速定位出错位置。

7.7 异常处理综合示例

通过综合应用前面的知识，我们可以让程序在复杂环境中更加健壮、安全。

例 7.7.1：文件读取与关闭（扩展版）

read_file("example.txt")

例 7.7.2 模型预测输入检测

在 AI 应用中，输入数据的正确性直接决定了模型运行是否安全。本例模拟一个简单的文本分析模型，通过异常机制来防止非法输入。

    print("AI 模型调用结束。")

运行结果（示例）：

AI 模型调用结束。

在真实的人工智能系统中，输入检测与异常处理是模型安全运行的重要防线。

小结

本次课系统介绍了 Python 的异常处理与调试机制。通过合理运用 try、except、finally 与 raise 语句，程序能够在出现错误时保持稳定、安全的运行。这些机制构成了编写健壮程序的核心基础。

下次课将进入函数与模块化编程的学习，进一步探索如何构建更灵活、更结构化的程序体系。

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